小テスト解説
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小テスト解説. 10進数91を8ビット固定長の2進数で表せ、また、―91を1の補数表現、2の補数表現で表せ。(15)  91 = 64 + 16 + 8 + 2 + 1             10進   91 =2進 01011011   1の補数表現   10進 ―91 =2進 10100100    2の補数表現   10進 ―91 =2進 10100101           . 小テスト解説.

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小テスト解説

  • 10進数91を8ビット固定長の2進数で表せ、また、―91を1の補数表現、2の補数表現で表せ。(15)

     91 = 64 + 16 + 8 + 2 + 1

                10進   91 =2進 01011011  

    1の補数表現   10進 ―91 =2進 10100100   

    2の補数表現   10進 ―91 =2進 10100101           


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小テスト解説

  • CDの規格をサンプリング周波数44.1kHz、2ch、ダイナミックレンジ16 bit、録音時間74分間とする。データ容量をbitおよびbyteで答えよ。(10)

    44,100×16×2×74×60=6,265,728,000 bit

    6,265,728,000÷8=783,216,000 byte

  • 加法混色においてR、G、B 各4ビットとすると表現できる色の数はいくつか?(5)

    24×24×24=212=4,096色


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小テスト解説

  • VGA(640×480)でRGB各8bit階調とする。1画面のデータ容量をbitとbyteで答えよ。また、1秒間に30コマの動画の場合、この画像5分間のデータは何 kbyte になるか。(15)

    8 x 3 x 640 x 480 = 7,372,800 bit

    = 921,600 byte

    = 900 x 210 byte= 900 kbyte

    900 kbyte ×30×5×60 = 8,100,000 kbyte


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小テスト解説


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授業展開#6

コンピュータの構造1

(構成と規格、外部記憶装置)


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コンピュータの構成

  • 本体

  • ディスプレイ

  • キーボード

  • マウス

  • プリンタ


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コンピュータの5大機能

  • 制御装置:CPU

  • 演算装置:CPU

  • 記憶装置:メモリ

  • 入力装置:キーボード、マウスなど

  • 出力装置:ディスプレイ、プリンタなど


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本体の中身

  • CPU(Central Processing Unit)(中央処理装置)

  • メインメモリ(主記憶)

  • バス(通信線)

CPU

バス

メモリ


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CPUの機能

  • 記憶装置:メインメモリより高速。レジスタ

  • 演算装置:計算・判断をおこなう。ALU

  • 制御装置:各装置に指示をする。

    レジスタ:1回に処理できる情報量

            8、16、32、64ビット

    クロック:CPUの動作基準となる時間の単位。

    CPUの処理する各命令は、この1クロックの     整数倍の処理時間で必ず実行される。

          1GHz(10億/秒)。

CPU

クロックシグナル


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CPUの構造

メインメモリ

CPU

プログラム領域

命令キャッシュ

よく使用される命令

命令キャッシュのアドレス

を指定して、命令を取り出す

命令フェッチユニット

命令デコーダ

命令を解読する

データ領域

演算ユニット

演算処理

データキャッシュ

レジスタ群


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CPUの命令実行サイクル

  • 命令FET(Fetch):命令を取り出す

  • DEC(Decode):取り込まれた命令を変換

  • ADR(Address):オペランドのアドレスを指定

  • オペランドFET:オペランドデータを取り出す

  • EXE(Execute):演算処理

  • WRB(Write back):演算結果をデータキャッシュもしくはレジスタに書き込む。

  • 命令1つを処理するのに6クロックかかる。

オペランド:コンピュータプログラミングにおいて、演算の対象となる値や変数のこと


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CPU(8086)のレジスタ

フラグ・レジスタ F

主レジスタ

AH

AL

アキュームレータ AX

BH

BL

ベース・レジスタ BX

CH

CL

カウント・レジスタ CX

ポインタ/インデックス・レジスタ

DH

DL

データ・レジスタ DX

スタック・ポインタ SP

セグメントレジスタ

ベース・ポインタ BP

コード・セグメント CS

ソース・インデックス SI

データ・セグメント DS

デスティネイト・インデックス DI

エクストラ・セグメント ES

インストラクション・ポンタ IP

スタック・セグメント SS


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処理速度

  • MIPS

     1MIPSは1秒間に100万回の命令処理能力があることを示す。実際のアプリケーションを使った実用的な性能指標として SPECint などのベンチマークが標準化され、MIPS値はほとんど使われなくなった。

  • FLOPS

     1MFLOPSは1秒間に100万回の浮動小数点演算ができることを示す。富士通では2010年までに3PFLOPSを超えるスパコンの開発を目指している。

      ペタ(P):1015を表す接頭辞


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処理速度の例

CPU の MIPS 値(クロックMHz)

16ビット

16ビット

32ビット

32ビット


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SPEC

  • Standard Performance Evaluation Corporation(標準性能評価法人)

  • SPECint:整数演算の性能を評価

  • SPECfp:浮動小数点数演算の性能を評価

  • コンピュータのハードウェアやソフトウェアの処理速度を計測する試験をベンチマークと言う。試験用に作成されたソフトウェアを実行し、処理の完了までにかかる時間を計測することで、製品間の比較を行なう。


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メモリ

  • メインメモリ  :プログラムやデータを格納する。

               速い。電源を切ると内容は消滅。

  • ハードディスク:プログラムやデータを格納する。

               遅い。電源を切っても内容は保存。

  • キャッシュメモリ:高速なメモリ。

                メインメモリとCPUを橋渡しする。

  • 仮想記憶    :メインメモリが不足するときに

                 ハードディスクをメインメモリの

                 ように使用。


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メモリ

  • RAM:Random Access Memory

     電源を切ると内容が消える(揮発性)。書き込み可能。

  • ROM:Read Only Memory:

     あらかじめ情報が書き込まれている。電源を切っても情報は消えない(不揮発性)。

     書き込みはできない。


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RAMの分類

  • DRAM:Dynamic RAM

      1セル~トランジスタ(1)+コンデンサ(1)

      回路が単純で安価、大容量化容易

      リフレッシュ(コンデンサへの電荷の供給)が必要

      PCのメインメモリー用

  • SRAM:Static RAM

      1セル~トランジスタ(4~6)

      リフレッシュ不要、高速

      高集積困難、高価

      キャッシュメモリー用


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DRAMの分類

  • 非同期DRAM(旧製品)

  • 同期DRAM(SDRAM):外部バスインターフェースが一定周期のクロック信号に同期して動作するよう改良されたDRAM 。

      SDRAM ~133Mbps

      DDR   200~400Mbps

      DDR2  400~800Mbps

      DDR3  800~1667Mbps(検討中)


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メモリ

CPU

(レジスタ)

一次キャッシュ

メインメモリ

二次キャッシュメモリ

ハードディスク

(仮想メモリ)

ROM

外部記録装置

FD、MO、CD-R

DVD

ペンティアム3以降は、2次キャッシュまで

含めてCPUチップの中に入っている。


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バス

データバス:データの通り道

  •  幅:信号線の数、8、16、32ビット

  • データ転送速度=バス幅×クロック周波数

  •   例:16ビット×10MHz=160×106ビット/秒

                      =20×106B/秒

  •   LANやUSBなどの表示:8Mbps、10Mbpsなど

    アドレスバス:CPUがメモリ番地を指定するためのバス

  • このサイズにより制御できるメモリーサイズが変化する。

  • 16ビット:216=64kB

  • 24ビット:224=16MB(80286)

  • 32ビット:232=4GB(80386以降)


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仕様の例


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補助記憶装置

  • FD:2D、2DD、2HD、8インチ、5インチ、3.5インチ

  • HDD:数MB~100GB、5400、7200回転/分

  • CD-ROM:640MB

        音楽用:150kB/秒:CLV(Constant Linear Velocity)

        高速化のためCAV(Constant Angular Velocity)

        例:50倍速=150×50÷1024=7.3MB/秒

        CD-R、CD-RW

  • DVD(Digital Versatile Disc):4.7GB(片面1層の場合)

      DVD-ROM:読み出しのみ

      DVD-R:1回のみ書き込み可能

      DVD-RAM、DVD-RW、DVD+RW:複数書き込み可能

  • MO(Magnetic Optical):128MB、230MB、640MB、1.3GB、2.3GB


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HDDの構造

ディスクプラタ

読み書きヘッド

アーム


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HDDの構造

セクタ

シリンダ

すべての面の同一円周上の

トラックをすべて集めた円筒

クラスタ

1

2

トラック

トラック

HDDの記憶容量=1トラックあたりの記憶容量×1シリンダあたりのトラック数×シリンダ数

1トラックあたりの記憶容量

   = 1トラックあたりのクラスタ数×1クラスタあたりのセクタ数×1セクタあたりの記憶容量


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FD

  • 規格例(3.5インチ、2HD:両面高密度倍トラック)

  • アンフォーマット時容量:2.0MB

  • フォーマット時容量:1.4MB

  • トラック密度:135 tracks/inch

  • 記録密度:17,434 bits/inch

  • 記憶面数:2

  • トラック数:80/面

  • セクタ長:512 byte

  • セクタ数:18/トラック

  • 記憶容量=2×80×512×18

            =1,474,560byte≒1,4MB

セクタ

1

2

トラック1

トラック0


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USBメモリ

  • 記録部:フラッシュメモリ

  • 記憶容量:8メガ~128ギガバイト

  • 専用のドライブ装置を必要としないため利便性が高く、駆動部もないため衝撃にも強い。小型なため可搬性に優れている。

  • フラッシュメモリ (flash memory) :書き換え可能、不揮発性の半導体メモリ


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DVDの規格1

  • ディスク径・厚等12cm(CD と同じ)・0.6mmX2(二枚張合せ)トラックピッチ 0.74μm・最短ピット長 0.4μmセクター配置 CLV・変調方式 8-16 ビット変調誤り訂正 RS-PC 方式・使用レーザー 650/635nm記録容量 片面一層 4.7GB・二層 8.5GB

  • 映像記録方式及びコーデック720x480画素・29.97 フレーム/秒(2:1 インターレース)MPEG-2 [email protected] 符号化・約 1/40 圧縮(適応可変レート)※ビデオ部分の最大ビットレート 9.8Mbps※動きベクトル符号化で約 1/2DCT(離散コサイン変換)で 約 1/10 可変長符号化で(ハフマン符号)約 1/2 の合計※16:9 横方向圧縮モードあり(スクイーズ)

  • 音声記録方式等PCM 直線 16/20/24bit(最大)量子化・96KHz

      もしくは 48KHz標本化(32/44.1KHz 含む)もしくは、DOLBY AC-3 5.1ch デジタルサラウンド


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DVDの規格2

DVD-ROM

 プレス形成したもの

 書き込み不可

DVD-RW(DVD+RW)

 レーザーで相変化書き込み

 書き換え可能

DVD-RAM

 レーザーで相変化書き込み

 書き換え可能

DVD-R(DVD+R)

 レーザーで色素に書き込み

 書き換え不可


Hd dvd

HD DVD

  • ・ディスク容量:

      再生専用[15GB(片面1層) 30GB(片面2層)]

      記録専用[15 / 20GB (片面1層) 32 GB(片面2層)]

  • ・レーザー波長:405nm(青紫色レーザー)

  • ・レンズ開口数(NA):0.65

  • ・データ転送レート:36Mbps

  • ・ディスク直径:120mm

  • ・ディスク厚:1.2mm(光透過保護層厚:0.6mm)

  • ・映像記録方式:MPEG4 AVC / VC-9 / MPEG2

  • ・音声記録方式:AC3 / MPEG-1 Layer2など


Blue ray

Blue-Ray

  • ・ディスク容量:

      再生専用[25GB(片面1層) 50GB(片面2層)]

      記録専用[23.3 / 25 / 27 GB(片面1層)

    50 / 54 GB(片面2層)]

  • ・レーザー波長:405nm(青紫色レーザー)

  • ・レンズ開口数(NA):0.85

  • ・データ転送レート:36Mbps

  • ・ディスク直径:120mm

  • ・ディスク厚:1.2mm(光透過保護層厚:0.1mm)

  • ・映像記録方式:MPEG4 AVC / VC-9 / MPEG2

  • ・音声記録方式:AC3 / MPEG-1 Layer2など


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ディスプレイ

  • R、G、B 各8ビットとする

     28×28×28=224=16,777,216色

  • 画素数

     VGA :横 640×縦 480ドット

     SVGA:横 800×縦 600ドット

     XGA :横1024×縦 768ドット

     SXGA:横1280×縦1024ドット

     UXGA:横1600×縦1200ドット


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インタフェース

  • シリアルインタフェース

      データを1ビットずつ送るインタフェース

      RS-232C:モデムなど

      IEEE1394:マルチメディア

      IrDA:赤外通信

      USB:キーボード、マウスなど

  • パラレルインタフェース

      一度に8ビット同時に送るインタフェース

      SCSI(スカジー):HDD、CD-ROM

      IDE:内蔵HDD

      セントロニクス:プリンタ


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演習

  • コンピュータの5大機能を示せ。

  • CPUの2つの機能を示せ。

  • バス幅32ビット、クロック数800MHzの時の転送速度はいくらか。

  • 音楽用CDの記録容量は640MBである。転送速度150kB/秒の場合録音時間は何分間か。


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